时钟芯片SD2200ELP与AVR单片机的接口设计

　　在提升机制动闸瓦间隙实时在线检测的设计中，需要保存故障时间和故障数据。大部分仪器仪表中都要使用时钟芯片，但是很多的实时时钟芯片（如ＰＣＦ８５６３）没有掉电保护，须外接晶振和电池，比较麻烦。而深圳兴威帆电子技术有限公司生产的ＳＤ２２００ＥＬＰ是内置３２　ＫＢＥ２ＰＲＯＭ的串行实时时钟芯片，不需要外接器件支持，连线简单、可靠，提供的数据精确，断电后也能继续工作。微控制器采用Ａｔｍｅｌ公司的ＡＴｍｅｇａｌ６单片机，利用ＡＴ－ｍｅｇａｉ６的硬件ＴＷＩ接口可直接对ＳＤ２２００ＥＬＰ进行操作，无需软件模拟Ｉ２Ｃ方式，使用方便、可靠。

　　１　ＳＤ２２００Ｌ简介

　　ＳＤ２２００Ｌ系列（包括ＳＤ２２００Ｂ／Ｃ／Ｄ／Ｅ／ＦＬＰ）是一种具有内置晶振、支持Ｉ２Ｃ总线的高精度实时时钟芯片。ＳＤ２２００ＥＬＰ是ＳＤ２２００Ｌ系列中的一种，该芯片可保证时钟精度为±５ｐｐｍ（在－１０～５０℃下），即年误差小于２．５ｍｉｎ。芯片内置时钟精度调整功能，可以在很宽的范围内校正时钟的偏差；内置３２ＫＢ串行非易失性Ｅ２ＰＲＯＭ；可在３．０～５．５Ｖ下工作，擦写次数可达１００万次，数据保存时间为十年；内置一次性电池，可保证在外部掉电情况下时钟使用寿命超过五年。ＳＤ２２００Ｌ系列内部结构如图ｌ所示。

　　２　硬件设计

　　ＳＤ２２００ＥＬＰ既有实时芯片的功能，又可以存储数据到内置Ｅ２ＰＲＲＯＭ中。因为ＳＤ２２００ＥＬＰ是Ｉ２Ｃ总线接口方式，所以其硬件接口设计非常简单，可以大大简化单片机外围器件。ＡＶＲ的ＴＷＩ总线实质上就是Ｉ２Ｃ总线，只是名称不一样。图２中ＩＮＴｌ脚为ＳＤ２２００ＥＬＰ的定时中断输出，与ＡＴｍｅｇａｌ６的外部中断ＩＮＴｌ相连接（ＩＮＴｌ配置为下降滑触发方式），ＳＤＡ、ＳＣＬ为两线式串行引脚，分别与ＡＴｍｅｇａｌ６的ＴＷｌ（ＰＣｌ、ＰＣＯ）相连。

　　３　软件设计

　　如果外围器件是Ｉ２Ｃ接口类型，而单片机没有Ｉ２Ｃ接口，那么必须用软件模拟的方式来实现。ＡＶＲ单片机功能很强，它带有ＴＷＩ接口，可以直接利用ＡＴｍｅｇａｌ６的硬件Ｉ２Ｃ接口来对外围Ｉ２Ｃ器件进行操作，非常方便、有效。这样可以节省模拟Ｉ２Ｃ程序，为用户编程省去很多麻烦。下面是使用ＡＴｍｅｇａｌ６对内置Ｅ２ＰＲＯＭ的实时时钟芯片ＳＤ２２００ＥＬＰ读／写的程序设计，均是在ＩＣＣＡＶＲ开发环境下编写。

　　３．１　ＡＴｒｎｅｇａｌ６的ＴＷＩ总线接口

　　两线接口ＴＷＩ很适合于典型的处理器应用。ＴＷＩ协议允许系统设计者只用两根双向传输线就可以将１２８个不同的设备互连到一起。这两根线是时钟线ＳＣＬ和数据线ＳＤＡ。外部硬件只需２个上拉电阻，每根线上１个。所有连接到总线上的设备都有自己的地址。ＴＷＩ协议解决了总线仲裁的问题，ＴＷＩ总线的连接如图３所示。

　　ＴＷＩ总线可以工作于４种不同的模式：主机发送器（ＭＴ）、主机接收器（ＭＲ）、从机发送器（ＳＴ）以及从机接收器（ＳＲ）。在后面将介绍的连续读Ｅ２ＰＲＯＭ操作中就使用了ＭＴ和ＭＲ模式。

　　３．２　实时时钟读取

　　实时时钟操作指令格式如下：

　　其中高４位称为“器件代码”，它代表实时时钟的器件地址，固定为“０１１０”。Ｃ２、Ｃ１、Ｃ０构成对实时时钟操作的８条指令。

　　实时数据寄存器是一个５６位的存储器，它以ＢＣＤ码方式存储，包括年、月、日、星期、时、分、秒的数据。实时数据的读／写操作都通过发送或接收年（实时数据读写方式１）数据的第一位“ＬＳＢ”开始执行的。

　　３．３　Ｅ２ＰＲＯＭ的读／写

　　ＳＤ２２００ＥＬＰ的Ｅ２ＰＲＯＭ操作指令与实时时钟的器件代码是不一样的。当ＣＰＵ要对ＳＤ１２２００Ｌ中的Ｅ２ＰＲＯＭ进行操作时，首先发出开始信号给ＳＤ２２００Ｌ，然后ＣＰＵ发出包括４位器件代码１０ｌＯ、３位页选码０００、１位读／写指令的８位数据（即“从器件地址”）。一位读／写指令表明进行何种操作（读操作为１，写操作为Ｏ）。其格式如下：

　　３．３．１　对Ｅ２ＰＲＯＭ的页写操作

　　写操作可分为：单字节写操作和页写操作。单字节写操作指每次只写入一个字节的数据；页写操作指一次可以写入多个字节的数据。值得注意的是，ＳＤ２２００Ｌ是一个系列，不同类型对应着不同数量的Ｅ２ＰＲＯＭ。例如在页写操作下，ＳＤ２２００ＥＬＰ单个写周期内Ｅ２ＰＲＯＭ可以被写入６４字节的数据。在某监测仪器应用中，需要保存故障值和故障发生时间，故采用页写方式。页写Ｅ２ＰＲＯＭ程序流程图如图４所示。

　　３．３．　２　对Ｅ２ＰＲＯＭ连续读操作

　　读操作有３种方式：立即地址读操作、随机地址读操作和连续读操作。ＡＴｍｅｇａｌ６为完成从ＳＤ２２００ＥＬＰ内置串行Ｅ２ＰＲＯＭ中读取数据，必须将几种ＴＷＩ模式组合起来。由于内置Ｅ２ＰＰＲＯＭ的存储容量大小不同，因此在进行读操作时，其操作方式有所不同。在查询故障值和故障时间时，需要读出保存在Ｅ２ＰＲｏＭ的数据，故采用连续读操作。与页写操作类似，ＳＤ２２００ＥＬＰ最多连续读６４字节的数据。连续读操作程序流程图如图５所示。

　　读／写Ｅ２ＰＲＯＭ需用到的５个公用函数：

　　４　总结

　　ＳＤ２２００ＥＬＰ可以方便地结合ＡＶＲ单片机的ＴＷＩ总线实现日期显示功能。并且因其内置３２　ＫＢＥ２ＰＲＯＭ，可以保存时间和相应数据；具有电路简单、占用资源少、程序简洁、调试方便、功耗低等特点。经过实际的现场运行证实了该设计方法是可靠、有效的。对本文的设计方案和程序稍加修改后，可以用在各种需要此功能的数字控制和监控检测系统中